撕裂宇宙的暗能量

編譯 王曉濤

本文要點速覽：

· 暗能量使宇宙加速膨脹，但它的本質目前還是未解之謎。理解暗能量是現代物理學的一大挑戰。

· 宇宙學家通過對遙遠星系的研究來測量暗能量的強度并觀測其是否會隨時間發生變化。這些細節將決定宇宙會如何終結。

· 如果暗能量的影響效果不斷增加，宇宙將會被撕裂。最后，一切都將蕩然無存——無論是粒子，還是空間本身。

暗能量可以說是宇宙中最重要的一種天文現象，但要想對其進行研究卻異常困難。據我們所知，暗能量完全均勻地分布于宇宙中的每一個角落，與宇宙的空間結構融為一體。它唯一的效應就是將空間持續地拉伸，因此，如果研究的尺度小于遙遠星系之間的廣袤空間的話，就無法觀測到它對宇宙的任何影響。

研究暗物質的物理學家相比之下要輕松不少——盡管暗物質和暗能量一樣不可見，但它的存在感要強得多。幾乎所有我們已知的星系和星系團周圍都籠罩著暗物質。在引力場中，暗物質也起著主導作用。暗物質可以使光線彎曲。甚至還在極早期時，暗物質就改變了宇宙的歷史進程。反觀暗能量，它就只是在……不停地膨脹而已。

當然，這并沒有完全阻止我們對暗能量的研究。相關研究基本上會從宇宙的膨脹歷史，以及星系和星系團的形成過程，這兩個方面入手。無論通過哪種方式，我們都試圖跨越遙遠的空間和漫長的時間，以追蹤宇宙隨時間的演化進程，并從微弱的信號和稀少的統計數據中找到暗能量的極輕微的效應。

盡管這樣的研究非常具有挑戰性，但值得我們為之付出努力，因為暗能量不僅是宇宙的主要組成部分，同時也在明確地提示我們，尚有一些超出目前人類認知的全新的物理學領域存在。

實際上，暗能量有可能會猛烈地、不可避免地摧毀宇宙。暗能量導致的末日浩劫，被形象地命名為“大撕裂”，它可能比任何人設想中的宇宙毀滅的結局都要更早到來。這種毀滅宇宙的形式不僅無法避免，而且會撕碎一切現實結構，讓宇宙中每個有思想的生物眼睜睜地看著整個宇宙在自己面前裂開卻束手無策。

這一令人擔憂的構想絕非空穴來風。事實上，目前最精確的宇宙學觀測數據非但沒有排除這種可能性，而且從某些角度來看，甚至還略微地傾向于認可大撕裂的可能性。因此，我們完全應當對暗能量的研究投入必要的時間和精力。

宇宙學常數真的是“常數”嗎？

通常認為，暗能量表現為宇宙學常數的形式。它拉伸空間，通過使宇宙具有某種固有的擴張趨勢來加速其膨脹。在大尺度上，這是一種很好的描述方式。但在星系之間，或是太陽系內，或者籠統地說，在有組織分布的物質附近，宇宙學常數并不會產生什么影響。因此，我們可以采用更確切的說法，即宇宙學常數是一種將天體彼此分離的力量——如果兩個星系已經相隔甚遠，那么它們之間的距離會變得越來越遠。隨著時間的推移，無論是單個星系、星系團或是星系群，都會發現自己越來越孤獨。在考慮宇宙學常數的情形下，它們的形成速度也會更慢一些。不過，宇宙學常數無法將已經形成連貫結構的天體分開：凡是引力結合起來的事物，宇宙學常數都不能使之分離。

宇宙學常數之所以會有這么一點小小的仁慈之心（當然，它最終還是會毀滅整個宇宙），是因為其“常數”的性質。如果暗能量是一個宇宙學常數，那么即使宇宙在膨脹，它的密度也會在空間各處隨時間推移保持恒定，這是暗能量的基本特征。而且，保持恒定的僅僅是空間中各點的暗能量密度，而不是宇宙的膨脹速度。這在某種程度上是合理的，前提是每一處空間內都自然地分配有一定數量的暗能量。但這樣的假定依然十分奇怪，因為這表示，隨著空間的增長，暗能量的總量也在增加，只有這樣才能保證其密度恒定。這也意味著，如果你在宇宙中的某個地方畫出一個給定大小的球體，并測量球體內部的暗能量，然后在未來的某個時間點再做同樣的事情，那么不管宇宙在這段時間里膨脹了多少，你測得的暗能量的值都必然是同一個數字。如果原先的球體內包含了某個星系團以及一定量的暗能量，十億年后，這個區域內暗能量的總量仍然會是之前的值。因此，如果之前的暗能量不足以破壞那個星系團，那么以后暗能量也永遠不會對星系團造成破壞。即使宇宙的其他部分不可避免地陷入虛無，在這個球體內部，物質和暗能量之間的平衡也不會被打破。

這聽上去讓人感到安心。假設你是宇宙中的一團物質，你想讓自己成為一個漂亮、穩定、由引力束縛的星系，敬請放心，只要你聚集起來打造自己的物質足夠多，就可以實現愿望。而在這一過程中，暗能量不會來破壞你的事業。

除非，暗能量并不僅僅是一個宇宙學常數。

宇宙學常數只是暗能量的一種可能性。我們知道，暗能量會使宇宙膨脹得更快。或者，更確切地說，暗能量具有負壓。負壓是一個奇怪的概念，因為根據通常的認識，壓力是一種向外推的力量。但在愛因斯坦的廣義相對論中，壓力就像質量或輻射一樣，只是能量的另一種形式，因此可以具有引力的吸引效果。而在廣義相對論中，引力也只是空間彎曲的結果。

想象有一個網球正在蹦床上滾動。現在假設將一個保齡球放置在蹦床的中心處，網球會沿著一條曲線滾動并經過保齡球。這個例子可以很好地用來類比某個物體在空間中存在大質量物體時的運動情況。如果要考慮廣義相對論，那么不僅在球質量更大時壓痕更深，并且如果球的溫度很高，或是內部具有很強的壓力時，壓痕同樣也會更深。所以，和能量的其他形式一樣，壓力也起著非常類似質量的作用。從引力的角度看，壓力是一種拉力。例如，當你計算一團氣體的引力效應時，你不僅要考慮到它的質量，還要考慮到它的壓力，因為這兩者都會造成氣體對周圍物質的引力作用。事實上，相比質量而言，壓力對時空曲率的貢獻要更大一些。

一個物體具有負壓，這種說法意味著什么？如果存在某種奇怪的物質，其壓力是負值，那就說明它可以有效地抵消物質的質量，至少在質量對時空彎曲的影響效果方面可以這么說。如果你以宇宙學常數的形式寫下暗能量的壓力和密度的值，并使用適當的單位，就可以使得壓力正好是密度的負數。

我們通常使用狀態方程參數來討論物質的密度與其壓力之間的關系，這一參數寫作ω——它等于壓力除以能量密度，單位為相應的合理單位。我們對暗能量狀態方程感興趣，因為如果時間夠長，所有其他影響因素都會被沖淡，暗能量隨著宇宙的膨脹會變得越來越重要，暗能量狀態方程也將成為整個宇宙的狀態方程。如果ω的測量值恰好為-1，這表明壓力和密度正好相反，并且暗能量是一個宇宙學常數。由于宇宙學常數中的能量密度總是正值，乍一看，它似乎應該像物質一樣發揮作用，放大引力減緩宇宙膨脹的效果。但是由于負壓在方程中被賦予了更大的權重，因而宇宙學常數最終的貢獻反而是加速了宇宙的膨脹。

至少根據我們的預測，情況應當如此。 ω=-1的宇宙學常數的總能量密度在宇宙膨脹時完全保持恒定，不會增加或減少。但對于具有任何其他ω值的暗能量，情況將會有所不同。所以，弄清楚我們的研究對象可以說非常重要。

在首次發現暗能量之后的幾年里，我們發現，很明顯有什么東西在加速宇宙的膨脹，這意味著這種東西一定具有負壓。事實證明，如果ω值小于-1/3，就會存在負壓和加速膨脹的現象。如果可以知道ω的值，就能讓我們認識到，暗能量究竟是一個真正的宇宙學常數（ω的值始終是-1），還是會動態變化，即其對宇宙的影響效果可能會隨時間發生改變。所以天文學家試圖找到方法來精確測定ω的值。如果最終發現，暗能量并不是一個宇宙學常數，這將表明，我們不僅發現了一種作用于宇宙層面的全新物理學，而且還有一個連愛因斯坦也未曾料到的意外收獲（愛因斯坦無疑會在某些方面出錯）。

多年來，科研上的競賽一直在持續。科學家們進行了大量的觀測，撰寫了眾多論文，將數據繪制成圖線以擬合得到ω的值。看起來，暗能量是宇宙學常數的情況似乎更有可能。

但是，在20世紀90年代末和21世紀初，一些宇宙學家提出了一個重要的、從未被討論過的假設，并將其應用到了數值計算當中。這是一個完全合理的假設，因為如果忽視了這一假設，就會違反某些長期存在的理論物理學原理。這些原理非常基礎，以至于不會有人想要推翻它們。但這些原理并不是觀測數據所必須認可的。作為科學家，我們首先還是要忠于數據，哪怕這樣做有可能會改寫宇宙的命運。

一個另辟蹊徑的觀點

達特茅斯學院的物理學家羅伯特·考德威爾（Robert Caldwell）和他的同事提出了一個簡單的問題：如果ω小于-1會怎樣？或者說，小于-1.5？或是小于-2？在此之前，科學家普遍認為，這種可能性太過古怪因而不必去考慮。大量論文中基于數據擬合而成的圖像顯示，ω的“允許”區域往往會在-1處突然截止。數據軸的范圍可能從-1到0，或者從-1到0.5，但-1一定會是一堵難以逾越的墻，就像你在猜測一個人的身高時，不會考慮身高小于0的可能性一樣。

但是當考德威爾研究這個問題時，ω的所有觀測結果都指向了-1這個值，或是某個非常接近它的值。這表明，在有人核查過數據并確認無誤的前提下，低于-1的值也是觀測數據允許的。在這一假設中，暗能量的ω值小于-1，考德威爾將其稱之為“幽靈暗能量”。這與一些重要理論原理非常不一致——特別是“主能量條件”，粗略地說，即能量不能比光流動得更快。這似乎是一個在研究宇宙時完全合理的條件，不過這個說法與光（或任何物質）的速度有上限的表述略有不同，目前它還不是一個經過驗證的物理學原理，而僅僅是一個十分自洽的觀點。或許，我們可以對它進行修改。

考德威爾和同事根據ω的所有可能性計算出了相應的約束條件。他們不僅發現那些低于-1的值與數據完全一致，而且在經過簡單直接的計算后得出結論，如果ω無限地小于-1，暗能量就會在有限的、可預測的時間內撕裂整個宇宙。

大撕裂

你可以把它想象成是一次解體。

首先消失的是最大也是最脆弱的那些結構體。在龐大的星系團內，成百上千個星系群圍繞彼此緩慢地運動，它們的運動路徑漫長而又互相交錯。剛開始，星系群的路徑會變得越來越長。在數百萬至數十億年的時間里，星系穿越過的廣闊空間進一步擴大，導致邊緣處的星系緩慢漂移到不斷增長的宇宙空洞中。很快，即使是最致密的星系團也會不可避免地消散，組成它們的星系將再也感受不到任何來自中心處的拉力。

從我們所在的銀河系內的位置來看，星系團的消失應該是大撕裂正在發生的第一個不祥預兆。但是光速的限制推遲了這一跡象的到來，使得我們只有在更近些的地方才能感受到影響。隨著我們所在的星系團（室女座超星系團）的消散，之前遠離銀河系的緩慢運動如今開始加速。當然，這種效果是十分微小的。不過，接下來要說的事就有所不同了。

目前我們的天文全天觀測手段已經可以測量銀河系中數十億顆恒星的位置和運動。隨著大撕裂的臨近，我們會注意到銀河系邊緣的恒星并沒有按照預期的軌道運行，而是像晚上派對結束后的客人一樣，晃晃蕩蕩地飄走。不久之后，我們的夜空開始變暗，因為橫跨天空的銀河系正在逐漸消失。銀河蒸發了。

從此時開始，毀滅的進程進一步加快。我們發現行星的軌道不再是它們應有的樣子，而是慢慢地向外盤旋。就在末日之前的幾個月，外行星消失在了廣闊無垠且不斷增長的黑暗之中。地球逐漸遠離了太陽，月球也在遠離地球。我們陷入了孤獨的黑暗時代。

這種新出現的孤獨的平靜感，并不會持續太久。

之后，任何此時依然完好無損的結構體，都在其內部膨脹空間的推動下，承受了越來越強的壓力。地球的大氣層從頂部開始變薄。地球內部的構造運動在不斷變化的引力影響下變得混亂。只剩下幾個小時了。地球再也沒辦法保持一個完整的結構：我們的星球爆炸了。

原則上說，即使地球毀滅，你也是可以幸存的，只要在認識到這些跡象產生的原因之后及時躲到某個緊湊的太空艙中就可以。（當危險來源于空間本身時，你一定會希望自己處于盡可能小的空間結構內。）但這種緩刑是短暫的。不久之后，將原子和分子結合在一起的電磁力將無法承受物質所在的不斷擴大的空間的影響。在最后一瞬間，分子裂開，任何仍在堅持思考的生物都會從內部被一個原子一個原子地撕裂摧毀。

在這之后，破壞的效果已經沒有人能看到了。但毀滅仍在繼續。原子中心的超高密度物質，即原子核本身，是下一個被摧毀的對象。極其致密的黑洞的核心也會被掏空。而在最后一瞬間，空間本身的結構被撕裂了。

不幸的是，我們可能永遠也無法肯定地說，大撕裂一定不會發生。如果ω小于-1，哪怕只有幾十億分之一的概率，暗能量最終都會以幽靈暗能量的形式將宇宙撕裂。由于測量結果不可能百分之百精準，因此，我們所能做的最好的事情，就是預言：即使大撕裂真的會發生，那也會是在很遠的將來，到時宇宙中的所有結構都會隨著時間的推移而蕩然無存。因為就算幽靈暗能量存在，ω越接近-1，大撕裂就越會被推到更遠的未來。之前我根據普朗克衛星于2018 年發布的數據計算出了最早可能發生大撕裂的時間，結果是大約 2 000 億年之后。

哈，真是個令人寬慰的結果。

但考慮到潛在的后果，為了宇宙以及物理學的基礎著想，天文學界還是非常想要弄清楚，從ω=-1到宇宙末日時ω取的極小值之間，我們目前究竟處于哪個位置。ω無法被直接測量，但我們可以通過測量宇宙過去的膨脹速度，并將其與針對不同類型暗能量的最佳理論模型進行比較，來間接確定它。原則上，有一些方法可以得到ω的值，并且有些方法還能在不必計算特定距離處的膨脹速度的情況下巧妙地完成任務。但研究暗能量最直接的方法是弄清楚宇宙完整的膨脹過程。事實表明，如果你嘗試著想回答一些簡單的問題，比如“那個星系有多遠？”，那么宇宙學中所有不可思議的特點都會同時展現出來。

通向天堂的階梯

為了有意義地比較宇宙中兩個相距很遠的點的局部空間膨脹速度，你首先需要確切知道這兩個點到底相距多遠。如果研究對象是地球上的物體，哪怕是像月球這樣近的物體，這都不是什么難事，你可以向它發射激光束，并測量光線返回所需的時間，從而測定距離。在這樣的尺度上，宇宙看上去很合理。基本上，這就是一個不變的空間，從 A 到 B 的距離可以直接測量得到，結果一定是有意義并正常的。但如果涉及太陽系以外的事物，問題就變得棘手起來，因為測量更遠物體的距離會更加困難，而且在更大的尺度上，膨脹會改變距離本身的定義。

多年來，天文學家將所有對距離的定義和測量方法拼湊累加在了一起。盡管有時這看起來很笨拙，但它也確實是觀測天文學和數據分析領域數十年來的創新成果，并為我們提供了直觀但不易操作的距離測量方法。我們把它稱為距離階梯。

假設你需要測量一間很大的房間的尺寸，但手頭只有一把普通尺寸的尺子。如果你不介意在地板上爬來爬去的話，當然可以通過反復放下尺子一段一段測量的方式得到整個房間的尺寸。或者，你也可以更有創意一點，先測量自己的步幅，然后走過房間并計算步數。如果你選擇的是步數法，那就意味著你正在構建一個距離階梯：一個容易控制的、可對測量結果進行校準的大尺度測距系統。

在天文學中，距離階梯有一系列的層級，使得可測范圍可以從太陽系一直延伸到數十億光年以外的天體。在太陽系內，直射式激光測量、軌道間比例關系乃至日食現象都可以用來幫助我們測定距離。更遠一些的話，我們就會采用下一個方法：視差法。當你改變自己的位置時，和遠處的物體相比，附近的物體相對于固定背景的位置變化似乎要更大一些。與之相似，如果你閉左眼睜右眼觀察自己豎在面前的手指，之后閉右眼睜左眼再看一次，就會發現自己手指的位置在來回移動。如果我們在六月時觀測一顆鄰近的星星，然后在十二月時再觀測同一顆星星，由于地球在繞日軌道上處于不同的位置，相對于更遠處的背景天體，這顆恒星的位置似乎會略有變動。距離越近，這樣的偏移就會越大。可惜的是，對于銀河系以外的天體，這樣的視運動太小以致難以分辨，因此，我們需要另一種方法——一種根據光的特性來確定發光物體距離的方法。

這種方法的關鍵點在于標準燭光的概念：一種天體（例如恒星）可以通過其某種物理屬性來告訴你它的亮度。這樣一來，只要知道它看起來有多亮，就可以知道它有多遠。這就像是明確標注有“60瓦”字樣的燈泡。你是知道它本來應該有多亮的，因此當它離得很遠時，你也會很清楚，自己接收到來自它那里的光顯然就會更少。

當然，太空中不會有東西自帶亮度的標識，但我們發現了幾乎和標識一樣有用的東西。20世紀初，天文學家亨麗愛塔·勒維特 （Henrietta Swan Leavitt） 首次取得了在天文學中使用標準燭光的重大突破。她在哈佛天文臺工作時，發現了一種被稱為“造父變星”的恒星會以可預測的方式變亮和變暗。固有光度較強的造父變星會緩慢而漸進地脈動，周期性地發生明暗變化。而固有光度較弱的造父變星則會脈動得更快一些，在最亮和最暗的狀態之間有很大的波動。

這是一次革命性的發現，或許也是天文學史上最重要的發現之一，因為它讓我們有能力測量周圍宇宙的尺度。這意味著，在任何可以看到造父變星的地方，我們都可以測得可靠的距離數據，從而制作可用的星圖。通過測量造父變星脈動的速度及其視亮度，勒維特可以非常明確地告訴你它到底有多亮，以及距離有多遠。

這可以讓我們測定多遠的距離？在整個銀河系和鄰近的星系中，造父變星都是可見的，因此我們可以利用視差法測量附近天體的距離，并將其用于脈動關系的精確校準，然后將脈動的周光關系用于測量更遠天體的距離。

距離階梯中的下一種方法至關重要，但從各個方面來說，它也使得事情變得非常混亂。某些特定類型的超新星會產生爆發，其性質是可以預測的，因此我們可以將其用來作為宇宙的里程標記。這種爆發，即Ia型超新星爆發，是在一顆白矮星以某種方式從另一顆同樣不幸的恒星中吸收了質量并壯觀地將自己撕裂時發生的。由于白矮星的結構相當簡單（至少相對于恒星來說是很簡單的），并且爆發的過程由我們熟悉的物理學機制所控制，因此，Ia型超新星被認為和造父變星一樣，是很好的標準燭光模型——所有的爆發看起來都非常相似。如果你可以對爆發達到峰值和減弱時的狀態進行測量，就可以很好地算得爆發釋放的能量總量，從而了解它的真實亮度。

使用這些恒星作為距離基準的精確程度究竟有多高——其中必然也會有一些調整以考慮恒星環境間的細微差異——仍然是個天體物理學界激烈爭論的問題。這是可以理解的，因為我們在這上面可下了很大的賭注。在廣闊宇宙的膨脹過程中，Ia型超新星是測距的黃金標準。它們使得天文學家在20世紀90年代后期能夠探測到宇宙的加速膨脹，并且現在也是天文學家用來研究暗能量本質的有力工具。

我們現在利用超新星校準星系距離的精確程度可以說令人印象深刻，其精度已達到1%的水平。這使得通過確定星系距離和它們的退行速度來測量宇宙的膨脹速度成為可能。我們根據哈勃常數——一個與距離和退行速度相關的數值——來討論宇宙膨脹的速度。在撰寫本文時，對超新星的測量結果已將哈勃常數測量值的精度提升至了2.4%。

這很奇怪。因為我們得到的數值與通過觀察宇宙微波背景輻射得出的數值完全不同。

困惑在增加

在過去的幾年里，根據超新星觀測得到的哈勃常數的測量結果大約是74公里每百萬秒差距每秒——這意味著一個距離我們一百萬秒差距（326萬光年）的星系正以大約每秒74公里的速度遠離我們。但是，哈勃常數也可以通過對宇宙微波背景輻射中熱點和冷點的幾何形狀的研究來間接測得。如果以這種方式測量，得到的結果大約為67公里每百萬秒差距每秒。盡管這些測量觀察的是宇宙歷史上與現在非常不同的時期，但也完全可以提供今天宇宙的膨脹速度。在一個由我們認為的物質構成的宇宙之中，這兩種方法給出的哈勃常數的值應該是相同的。但這樣看來，并不是。

也不是說任何時候，這都應該被認為是一個很大的問題，因為測量本身也無法精確到極致。最近，支持宇宙微波背景輻射方法的人認為，距離階梯存在一些錯誤，預計修正后可以使得數值減小一點。而使用超新星方法的人則指出，通過宇宙微波背景輻射最終給出測量值的推導過程中需要嘗試測量空間本身的形狀，這過于復雜，以至于一定會有一些東西導致測量值偏高了一點。考慮到要將宇宙初期的情況轉換為當前的膨脹速度就必須要進行大量的計算和轉換，這個假設并非毫無根據。當然，距離階梯也確實非常復雜。哪怕不考慮超新星本身的所有相關屬性，也就是說不考慮潛在的所有可能偏差，對變星的校準也不是一件容易的事情，甚至在測量相對較近的星系的距離時也會出現很大的誤差。其中有一部分原因是，我們看到的附近的造父變星的數量與遠處的并不相同，以及……好吧，我可以繼續說下去，但總而言之，這里存在爭議。

雖然雙方都在假設對方出了錯，但兩邊也都在改進方法，消除所有已知的測量偏差的來源。但更精確的數值結果依然無法彼此吻合。這種情況令人不安。

目前還不清楚這個問題的最終解決方案會是什么。也許確實可以將其歸結為數據中存在的系統誤差，或者測量本身存在一些問題。又或許只是統計上有一些小小瑕疵，盡管這在表面上看起來就不太可能。最有趣的解釋涉及暗能量。暗能量不是普通的宇宙學常數，而是一種更不祥的東西——它可能會導致大撕裂。有一種假設可以通過一種合理的方式解決測量值之間的差異：就像宇宙在早期階段時幽靈暗能量占主導地位的情況那樣，暗能量將隨著時間的推移變得越來越強大。

我們或許還不必恐慌。根據之前所述，數據結果并不確定。對ω的大多數測量結果會給出一個與-1完全一致的值。雖然確實小于-1的值偶爾會更有可能，但這種輕微的偏向在統計上不具備真正意義。至于哈勃常數的分歧，即使所有的測量結果都是正確的，對這種差異的非世界末日解釋——包括暗物質的各種奇怪模型，或是早期宇宙的條件有所變動——在很大程度上都更有可能。事實上，就算改變對暗能量的認識也不足以完全解決問題，因此，完全有理由假設問題的解決方案尚存在于其他領域。即使暗能量對當前宇宙的影響效果急劇上升，類似于幽靈暗能量的東西確實存在，也沒關系。在大撕裂可能發生之前，我們還會有很多時間。

資料來源 American Scientist